¿Alguna vez te has preguntado cómo funcionan los despertadores digitales? Lo más probable es que en tu dormitorio tengas un reloj digital al lado de tu cama. ¿Alguna vez lo miró por la mañana y se preguntó cómo funciona?
En este artículo, aprenderá exactamente cómo funciona un reloj digital (o reloj de pulsera). De hecho, ¡incluso vas a aprender a construir el tuyo propio!
Para entender cómo funciona un reloj digital, tienes que entrar y ver qué está pasando. ¡Así que empecemos!
Lo básico
Si ha leído Cómo funcionan los relojes de péndulo, sabe que todos los relojes (independientemente de la tecnología) tienen algunos componentes necesarios:
Un reloj digital no es diferente. Simplemente maneja estas funciones electrónicamente en lugar de mecánicamente. Entonces, en un reloj digital, hay una fuente de alimentación eléctrica (ya sea una batería o una corriente alterna de 120 voltios de la pared). Hay una base de tiempo electrónica que "marca" a una velocidad conocida y precisa. Hay un "mecanismo de engranaje" electrónico de algún tipo, generalmente un reloj digital maneja el engranaje con un componente llamado "contador". Y hay una pantalla, generalmente LED (diodos emisores de luz) o LCD (pantalla de cristal líquido).
Vista de alto nivel
Aquí hay una descripción general rápida de los componentes de un reloj digital de alto nivel.
En el corazón del reloj hay una pieza que puede generar una señal precisa de 60 hercios (Hz, oscilaciones por segundo). Hay dos formas de generar esta señal:
- La señal se puede extraer de las oscilaciones de 60 Hz en una línea eléctrica normal. . Muchos relojes que se alimentan de un enchufe de pared utilizan esta técnica porque es económica y fácil. La señal de 60 Hz en la línea eléctrica es razonablemente precisa para este propósito.
- La señal se puede generar usando un oscilador de cristal . Obviamente, cualquier reloj o reloj de pulsera que funcione con pilas utilizará esta técnica en su lugar. Toma más partes, pero generalmente es mucho más precisa.
La señal de 60 Hz se divide mediante un contador . Al construir su propio reloj, una parte TTL típica para usar es un contador de décadas 7490 . Esta parte se puede configurar para dividir por cualquier número entre 2 y 10, y genera un número binario como salida. Así que toma su base de tiempo de 60 Hz, la divide por 10, la divide por 6 y ahora tiene una señal de 1 Hz (1 oscilación por segundo). Esta señal de 1 Hz es perfecta para controlar la parte de "segundero" de la pantalla. Hasta ahora, el reloj se ve así en un diagrama de bloques:
Para ver realmente los segundos, la salida de los contadores debe controlar una pantalla. Los dos contadores producen números binarios. El contador de división por 10 produce una secuencia 0-1-2-3-4-5-6-7-8-9 en sus salidas, mientras que el contador de división por 6 produce una secuencia 0-1-2. Secuencia -3-4-5 en sus salidas. Queremos mostrar estos números binarios en algo llamado pantalla de 7 segmentos . Una pantalla de 7 segmentos tiene siete barras y, al encender diferentes barras, puede mostrar diferentes números:
Para convertir un número binario entre 0 y 9 en las señales apropiadas para controlar una pantalla de 7 segmentos, utilice un "conversor de pantalla de 7 segmentos a número binario" (denominado apropiadamente). Este chip observa el número binario que ingresa y enciende las barras correspondientes en el LED de 7 segmentos para mostrar ese número. Si estamos mostrando los segundos, entonces la parte de los segundos de nuestro reloj se verá así:
La salida de esta etapa oscila a una frecuencia de un ciclo por minuto. Puedes imaginar que la sección de minutos del reloj se ve exactamente igual. Finalmente, la sección de horas se ve casi igual, excepto que el contador de dividir por 6 se reemplaza por un contador de dividir por 2.
Ahora quedan dos detalles para averiguar si estás construyendo un reloj real:
¡Ahora veamos qué tenemos que hacer para construir un reloj real!
Construyendo su propio reloj digital
La mejor manera de comprender los diferentes componentes de un reloj digital y cómo funcionan juntos es seguir los pasos para construir su propio reloj. Aquí construiremos solo la parte de los "segundos" del reloj, pero puedes extender fácilmente las cosas para construir un reloj completo con horas, minutos y segundos. Para comprender estos pasos, deberá haber leído Cómo funciona la lógica booleana y Cómo funcionan las puertas electrónicas. En particular, el artículo de puertas electrónicas le presenta los chips TTL, las placas de prueba y las fuentes de alimentación. Si ya ha jugado con las puertas como se describe en ese artículo, entonces la descripción aquí tendrá mucho más sentido.
Lo primero que necesitamos es una fuente de alimentación . Construimos uno en el artículo de puertas electrónicas. En ese momento, usamos un transformador de pared estándar que producía energía de CC (corriente continua) y luego la regulamos a 5 voltios usando un 7805. Para nuestro reloj, queremos hacer las cosas de manera ligeramente diferente porque vamos a extraer nuestra base de tiempo de 60 Hz. de la línea eléctrica. Eso significa que queremos un AC en lugar de un transformador de CC, y usaremos una pieza llamada puente rectificador para convertir la CA a CC. Por lo tanto, necesitamos las siguientes piezas para nuestra fuente de alimentación:
Algunas notas sobre las piezas utilizadas:
Diagrama del circuito
Aquí hay un diagrama de circuito para la fuente de alimentación y la base de tiempo.
Como vimos en el artículo sobre puertas electrónicas, ¡la fuente de alimentación es la parte más difícil!
Para crear el resto del reloj necesitarás:
La cantidad de chips, resistencias y LED que necesita depende de la cantidad de dígitos que le interese implementar. Aquí hablaremos solo de segundos, por lo que los números "al menos" son correctos.
Distribución de pines 7490
Veamos brevemente el 7490 para ver cómo funciona.
El 7490 es un contador de décadas , lo que significa que es capaz de contar de 0 a 9 cíclicamente, y ese es su modo natural. Es decir, QA, QB, QC y QD son 4 bits en un número binario, y estos pines pasan del 0 al 9, así:
QD QC QB QA0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 1
También puede configurar el chip para contar hasta otros números máximos y luego volver a cero. Lo "configuras" cambiando el cableado de las líneas R01, R02, R91 y R92. Si R01 y R02 son 1 (5 voltios) y R91 o R92 son 0 (tierra), entonces el chip restablecerá QA, QB, QC y QD a 0. Si tanto R91 como R92 son 1 (5 voltios), entonces el conteo de QA, QB, QC y QD llega a 1001 (5). Entonces:
Creación de la manecilla de segundos
Sabiendo todo esto, puede crear fácilmente la "manecilla de segundos" de un reloj digital. Se ve así:
En este diagrama, los dos 7490 superiores dividen la señal de 60 Hz de la fuente de alimentación por un factor de 60. El tercer 7490 toma una señal de 1 hertz como entrada y la divide por 10. Sus cuatro salidas activan los LED normales en este diagrama. El cuarto 7490 divide la salida del tercero por 6, y sus tres salidas también controlan los LED normales. Lo que tiene en este punto es una "manecilla de segundos" para su reloj, con la salida de la manecilla de segundos apareciendo en binario. Si desea crear un reloj que muestre la hora en binario, ¡entonces está listo! Aquí hay una vista de una placa que contiene un contador de división por 10, un contador de división por 6 y un conjunto de LED para mostrar la salida de los contadores en binario:
Los cables que aparecen en la imagen desde la izquierda son líneas de alimentación, tierra y reloj para la placa. El contador de la izquierda es un 7490 configurado para dividir por 10, y el de la derecha es otro 7490 configurado para dividir por 6. Si empaca las cosas más apretadas y hace un trabajo de cableado más prolijo, puede colocar hasta cuatro contadores en una sola placa de prueba.
Mostrar el tiempo como números
Si desea mostrar la hora en números, debe usar los 7447. Aquí está el pinout de un 7447, así como el etiquetado de segmento para un LED de 7 segmentos.
Conectas un 7447 a un 7490 así:
Necesitará tener el pinout para la pantalla LED específica que usa para saber cómo conectar las salidas del 7447 a los LED en el dispositivo de 7 segmentos. (Además, tenga en cuenta que el 7448 es equivalente al 7447 excepto que maneja pantallas de cátodo común. Conecte a tierra el cátodo común del LED en ese caso).
Puede ver que al extender el circuito, podemos crear fácilmente un reloj completo. Para crear la sección de "manecilla de minutos" del reloj, todo lo que necesita hacer es duplicar la parte de "manecilla de segundos". Para crear la parte de la "manecilla de la hora", querrá ser creativo. Probablemente la solución más sencilla sea crear un reloj que muestre la hora militar. Luego querrá usar una puerta AND (o las entradas R del 7490) para reconocer el número binario 24 y usar la salida del reconocedor para restablecer los contadores de horas a cero.
La pieza final que necesita crear es un mecanismo de configuración . En una placa de prueba, es fácil configurar el reloj:simplemente mueva los cables de entrada para enviar señales de mayor frecuencia a la sección de minutos del reloj. En un reloj real, usaría botones o interruptores y puertas para hacer lo mismo.
Si toma su reloj de cabecera o lo desarma, una cosa que notará es que probablemente no haya 15 circuitos integrados TTL en el interior. De hecho, es posible que no pueda encontrar un chip en absoluto. En la mayoría de los relojes modernos, todas las funciones del reloj (incluida la alarma y cualquier otra característica) están integradas en un chip de bajo consumo (en un reloj, el chip y la pantalla juntos consumen solo alrededor de una millonésima de vatio). ). Ese chip probablemente esté incrustado directamente en la placa de circuito. Es posible que pueda ver una gota de plástico negro que protege este chip. Ese pequeño chip contiene todos los componentes que hemos discutido aquí.
Ahora tiene una comprensión completa de cómo funcionan los relojes digitales. La próxima vez que mire el reloj al lado de su cama o su reloj de pulsera digital, ¡puede hacerlo con un nuevo respeto por lo que está sucediendo en su interior! Si desea avanzar al siguiente nivel y ver cómo construir un reloj digital con un microcontrolador, consulte Cómo funcionan los microcontroladores.
Para obtener más información sobre la electrónica digital y el cronometraje, consulte los enlaces a continuación.
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